對 IIC 總線的理解、調用函數以及常見面試問題

一、IIC 總線概述：

IIC 即Inter-Integrated Circuit(集成電路總線）
I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線， I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數據線SDA，另一根是時鍾線SCL。

每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機與其它器件間的數據傳送可以是由主機發送數據到其它器件，這時主機即為發送器。由總線上接收數據的器件則為接收器。

二、IIC 總線通信協議：

要掌握IIC的通信協議，需要掌握以下6個通信信號：
1.起始信號
2.終止信號
3.寫數據
4.讀數據
5.應答信號
6.非應答信號

• 起始和終止信號
  SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。

• 應答信號
  IIC 總線協議規定，每傳送一個字節數據后，都要有一個應答信號以確定數據傳送是否被對方收到。應答信號由接受設備產生，在SCL為高電平期間，接受設備將SDA拉低為低電平，表示數據傳輸正確，產生應答（ACK）

• 數據傳送
  I2C總線進行數據傳送時，時鍾信號為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩定，只有在時鍾線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態才允許變化。

根據AT24C02的芯片，可編寫以下信號函數程序：

//1.起始信號 SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號； void IIC_Start(void) { SDA = 1; SCL = 1; delay_us(1); //15us >> 4.7us SDA = 0; delay_us(1); SCL = 0; } //2.終止信號 SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。 void IIC_Stop(void) { SDA = 0; SCL = 1; delay_us(1); //15us >> 4.7us SDA = 1; delay_us(1); SCL = 0; } void IIC_SendByte(unsigned char dat) //3.寫數據 { unsigned char i; for (i = 0; i < 8; i++) { if((dat<<i)&0x80) { SDA = 1; } else { SDA = 0; } SCL = 1; //開始讓數據維持穩定 delay_us(1); SCL = 0; delay_us(1); } SDA = 1; //釋放總線 ， 發送完8位，主機置高電平 SCL = 1; delay_us(1); if (SDA) //SDA 低電平 從機回饋低電平 { ack = 0; //0 == ack 代表無ack信號， 從機不應答，發送不成功 } else { ack = 1; //從機應答，發送成功 } SCL = 0; delay_us(5); } unsigned char IIC_RecvByte(void) //4. 讀數據 { unsigned char i, temp; SDA = 1; //保險 高的 與 上低的 是低的， 線與 for (i = 0; i < 8; i++) { SCL = 0; // 告訴 數據可以變化 SDA 脈沖線 //只有在時鍾線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態才允許變化。 delay_us(1); SCL = 1; // 數據保持穩定， 開始讀 delay_us(1); temp<<=1; if (SDA) { temp = temp + 1; } } SCL = 0; delay_us(10); return temp; } void IIC_ACK(void) //5. 應答信號 { SDA = 0; SCL = 1; delay_us(1); SCL = 0; } void IIC_NOACK(void) //6. 非應答信號 { SDA = 1; SCL = 1; delay_us(1); SCL = 0; }

根據時序圖，可編寫24C02的讀寫函數程序：

unsigned char AT24CXX_WriteStr(unsigned char devaddr, unsigned char romaddr, unsigned char *s, unsigned char num) { unsigned char i; IIC_Start(); IIC_SendByte(devaddr); if (0 == ack) { return 0; } IIC_SendByte(romaddr); if (0 == ack) { return 0; } for (i = 0; i < num; i++) { IIC_SendByte(*s); if (0 == ack) { return 0; } s++; } IIC_Stop(); return 1; }

unsigned char AT24CXX_ReadStr(unsigned char devaddr, unsigned char romaddr, unsigned char *s, unsigned char num) { unsigned char i; IIC_Start(); IIC_SendByte(devaddr); if (0 == ack) //無應答 返回0 失敗 { return 0; } IIC_SendByte(romaddr); if (0 == ack) { return 0; } IIC_Start(); IIC_SendByte(devaddr + 1); if (0 == ack) { return 0; } for (i = 0; i < num - 1; i++) { *s = IIC_RecvByte(); IIC_ACK(); s++; } *s = IIC_RecvByte(); IIC_NOACK(); IIC_Stop(); return 1; }

三、有關 IIC 總線常見面試題：（參考）

• 介紹一下你了解的I2C？

I2C總線是飛利浦（PHLIPS）公司推出的一種串行總線，用於連接微控制器及其外圍設備， I2C串行總線有兩根雙向信號線。一根是數據線SDA，另一根是時鍾線SCL。 它僅通過兩根信號線就可以完成對所有掛載在I2C總線上的從器件進行操作。這樣的好處是可以大大的節省我們微處理器的IO口資源。

• I2C到底可以掛載多少個器件呢？

答：IIC協議規定，在啟動總線后第1字節的高7位是從節點的尋址地址，其中高四位為器件類型識別符，接着三位為片選，最后一位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作，所以具體掛載多少個器件由I2C地址決定，7位尋址地址減去1個廣播地址0x00不用，所以有2^7=128 - 1 = 127，那就是127個地址， 所以理論上可以掛127個從器件。

• I2C如何同時掛載多個同一種器件（地址相同的器件）？

答：理論上是不會這樣設計的，如果一定要這樣做的話，可以通過硬件上設計，控制器件是否掛載總線來實現（方法可用一個開關電路切斷器件SDA或者SCL是否接入總線來實現）

• I2C總線的主機與從機之間是如何通信的呢？

I2C總線的主機與從機之間的通信主要和I2C的時序有關。在通信開始的時候SCL與SDA都置為高電平，此時為總線空閑時間。當SCL為高電平期間SDA的電平被拉低，標志這總線的啟動。當SCL為高電平期間SDA的電平被拉高，標志這總線的終止。在進行數據傳送時，SCL為高電平期間，SDA上的數據必須保持穩定，只有在SCL的信號為低電平時，SDA上的高電平才允許變化。所以只要我們根據芯片手冊正確的寫好IIC的時序，按時序發送器件地址（不同的器件的地址不同）以及數據，就可以使主機與從機之間通信。

• I2C總線的仲裁你知道嗎？

總線上可能掛接有多個器件，有時會發生兩個或多個主器件同時想占用總線的情況，這種情況叫做總線競爭。I2C總線具有多主控能力，可以對發生在SDA線上的總線競爭進行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發送高電平，而另一個主器件發送低電平，則發送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關閉其輸出級。總線競爭的仲裁是在兩個層次上進行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個從器件，則進入數據位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。由於是利用I2C總線上的信息進行仲裁，因此不會造成信息的丟失。

• I2C時鍾信號（SCL）的同步問題

在I2C總線上傳送信息時的時鍾同步信號是由掛接在SCL線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個器件的時鍾信號下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時，低電平周期短的器件的時鍾由低至高的跳變並不能影響SCL線的狀態，於是這些器件將進入高電平等待的狀態。當所有器件的時鍾信號都上跳為高電平時，低電平期結束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時開始它們的高電平期。其后，第一個結束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產生一個同步時鍾。可見，時鍾低電平時間由時鍾低電平期最長的器件確定，而時鍾高電平時間由時鍾高電平期最短的器件確定。

• I2C總線的其他注意點

1、進行數據傳送時，在SCL為高電平期間，SDA線上電平必須保持穩定，只有SCL為低時，才允許SDA線上電平改變狀態。並且每個字節傳送時都是高位在前。
2、對於應答信號，ACK=0時為有效應答位，說明從機已經成功接收到該字節，若為1則說明接受不成功。
3、如果從機需要延遲下一個數據字節開始傳送的時間，可以通過把SCL電平拉低並保持來強制主機進入等待狀態。
4、主機完成一次通信后還想繼續占用總線在進行一次通信，而又不釋放總線，就要利用重啟動信號Sr。它既作為前一次數據傳輸的結束，又作為后一次傳輸的開始。
5、總線沖突時，按“低電平優先”的仲裁原則，把總線判給在數據線上先發送低電平的主器件。
6、在特殊情況下，若需禁止所有發生在I2C總線上的通信，可采用封鎖或關閉總線，具體操作為在總線上的任一器件將SCL鎖定在低電平即可。
7、SDA仲裁和SCL時鍾同步處理過程沒有先后關系，而是同時進行的。

 

 

I2C的基礎概念和框架 

一、IIC 基礎概念

       IIC(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用於連接微控制器及其外圍設備。IIC總線產生於在80年代，最初為音頻和視頻設備開發，如今主要在服務器管理中使用，其中包括單個組件狀態的通信。例如管理員可對各個組件進行查詢，以管理系統的配置或掌握組件的功能狀態，如電源和系統風扇。可隨時監控內存、硬盤、網絡、系統溫度等多個參數，增加了系統的安全性，方便了管理。

1、 IIC總線的特點

       IIC總線最主要的優點是其簡單性和有效性。由於接口直接在組件之上，因此IIC總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。總線的長度可高達25英尺，並且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。IIC總線的另一個優點是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進行發送和接收的設備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鍾頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。

2、IIC總線工作原理

a -- 總線構成

      IIC總線是由數據線SDA和時鍾SCL構成的串行總線，可發送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均並聯在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，IIC總線上並接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發送器（或接收器），這取決於它所要完成的功能。

CPU發出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分：

1) 地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；

2) 控制量決定該調整的類別（如對比度、亮度等）及需要調整的量。

    這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關。

b -- 信號類型

    IIC總線在傳送數據過程中共有四種類型信號：

開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據；

結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據；

數據傳輸信號：在開始條件以后，時鍾信號SCL的高電平周期期問，當數據線穩定時，數據線SDA的狀態表示數據有效，即數據可以被讀走，開始進行讀操作。在時鍾信號SCL的低電平周期期間，數據線上數據才允許改變。每位數據需要一個時鍾脈沖。

應答信號：接收數據的IC在接收到8bit數據后，向發送數據的IC發出特定的低電平脈沖，表示已收到數據。CPU向受控單元發出一個信號后，等待受控單元發出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據實際情況作出是否繼續傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現故障。

 

      目前有很多半導體集成電路上都集成了IIC接口。帶有IIC接口的單片機有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監控芯片等也提供IIC接口。

3、總線基本操作

     IIC規程運用主/從雙向通訊。器件發送數據到總線上，則定義為發送器，器件接收數據則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作於接收和發送狀態。 總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產生串行時鍾（SCL）控制總線的傳輸方向，並產生起始和停止條件。SDA線上的數據狀態僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態的改變被用來表示起始和停止條件。

a -- 控制字節

      在起始條件之后，必須是器件的控制字節，其中高四位為器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應為1010），接着三位為片選，最后一位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作。

b -- 寫操作

      寫操作分為字節寫和頁面寫兩種操作，對於頁面寫根據芯片的一次裝載的字節不同有所不同。關於頁面寫的地址、應答和數據傳送的時序。

c -- 讀操作

      讀操作有三種基本操作：當前地址讀、隨機讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時序圖。應當注意的是：最后一個讀操作的第9個時鍾周期不是“不關心”。為了結束讀操作，主機必須在第9個周期間發出停止條件或者在第9個時鍾周期內保持SDA為高電平、然后發出停止條件。

d -- 總線仲裁

       主機只能在總線空閑的時候啟動傳輸。兩個或多個主機可能在起始條件的最小持續內產生一個起始條件，結果在總線上產生一個規定的起始條件。

       當SCL線是高電平時，仲裁在SDA線發生：這樣，在其他主機發送低電平時，發送高電平的主機將斷開它的數據輸出級，因為總線上的電平和它自己的電平不同。

      仲裁可以持續多位。從地址位開始，同一個器件的話接着就是數據位（如果主機-發送器），或者比較相應位（如果主機-接收器）。IIC總線的地址和數據信息由贏得仲裁的主機決定，在這個過程中不會丟失信息。

仲裁不能在下面情況之間進行：

1）重復起始條件和數據位；
2）停止條件和數據位；
3）重復起始條件和停止條件。

4、特性總結

      IIC肯定是2線的(不算地線)IIC協議確實很科學,比3/4線的SPI要好,當然線多通訊速率相對就快了

IIC的原則是

a -- 在SCL=1(高電平)時,SDA千萬別忽悠!!!否則,SDA下跳則"判罰"為"起始信號S",SDA上跳則"判罰"為"停止信號P".

b -- 在SCL=0(低電平)時,SDA隨便忽悠!!!(可別忽悠過火到SCL跳高)

c -- 每個字節后應該由對方回送一個應答信號ACK做為對方在線的標志.非應答信號一般在所有字節的最后一個字節后.一般要由雙方協議簽定.

d -- SCL必須由主機發送,否則天下大亂

e -- 首字節是"片選信號",即7位從機地址加1位方向(讀寫)控制.從機收到(聽到)自己的地址才能發送應答信號(必須應答!!!)表示自己在線.其他地址的從機不允許忽悠!!!(當然群呼可以忽悠但只能聽不許說話)

f -- 讀寫是站在主機的立場上定義的."讀"是主機接收從機數據,"寫"是主機發送數據給從機.

g-- 重復位主要用於主機從發送模式到接收模式的轉換"信號",由於只有2線,所以收發轉換肯定要比SPI復雜,因為SPI可用不同的邊沿來收發數據,而IIC不行.

h -- 在硬件IIC模塊,特別是MCU/ARM/DSP等每個階段都會得到一個准確的狀態碼,根據這個狀態碼可以很容易知道現在在什么狀態和什么出錯信息.

i -- 7位IIC總線可以掛接127個不同地址的IIC設備,0號"設備"作為群呼地址.10位IIC總線可以掛接更多的10位IIC設備.

 

二、 Linux下IIC驅動架構

         Linux定義了系統的IIC驅動體系結構，在Linux系統中，IIC驅動由3部分組成，即IIC核心、IIC總線驅動和IIC設備驅動。這3部分相互協作，形成了非常通用、可適應性很強的IIC框架。

 

 

       上圖完整的描述了linux i2c驅動架構，雖然I2C硬件體系結構比較簡單，但是i2c體系結構在linux中的實現卻相當復雜。

       那么我們如何編寫特定i2c接口器件的驅動程序？就是說上述架構中的那些部分需要我們完成，而哪些是linux內核已經完善的或者是芯片提供商已經提供的？

 

1、架構層次分類

　  第一層：提供i2c adapter的硬件驅動，探測、初始化i2c adapter（如申請i2c的io地址和中斷號），驅動soc控制的i2c adapter在硬件上產生信號（start、stop、ack）以及處理i2c中斷。覆蓋圖中的硬件實現層

 　 第二層：提供i2c adapter的algorithm，用具體適配器的xxx_xferf()函數來填充i2c_algorithm的master_xfer函數指針，並把賦值后的i2c_algorithm再賦值給i2c_adapter的algo指針。覆蓋圖中的訪問抽象層、i2c核心層

　  第三層：實現i2c設備驅動中的i2c_driver接口，用具體的i2c device設備的attach_adapter()、detach_adapter()方法賦值給i2c_driver的成員函數指針。實現設備device與總線（或者叫adapter）的掛接。覆蓋圖中的driver驅動層

　 第四層：實現i2c設備所對應的具體device的驅動，i2c_driver只是實現設備與總線的掛接，而掛接在總線上的設備則是千差萬別的，所以要實現具體設備device的write()、read()、ioctl()等方法，賦值給file_operations，然后注冊字符設備（多數是字符設備）。覆蓋圖中的driver驅動層

 

     第一層和第二層又叫i2c總線驅動(bus)，第三第四屬於i2c設備驅動(device driver)。

     在linux驅動架構中，幾乎不需要驅動開發人員再添加bus，因為linux內核幾乎集成所有總線bus，如usb、pci、i2c等等。並且總線bus中的(與特定硬件相關的代碼)已由芯片提供商編寫完成，例如三星的s3c-2440平台i2c總線bus為/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c

      第三第四層與特定device相干的就需要驅動工程師來實現了。

 

2、Linux下I2C驅動體系結構三部分詳細分析

a -- IIC核心

       IIC 核心提供了IIC總線驅動和設備驅動的注冊、注銷方法，IIC通信方法（即“algorithm”，筆者認為直譯為“運算方法”並不合適，為免引起誤解， 下文將直接使用“algorithm”）上層的、與具體適配器無關的代碼以及探測設備、檢測設備地址的上層代碼等。

     在我們的Linux驅動的i2c文件夾下有algos，busses，chips三個文件夾，另外還有i2c-core.c和i2c-dev.c兩個文件。

     i2c-core.c文件實現了I2Ccore框架，是Linux內核用來維護和管理的I2C的核心部分，其中維護了兩個靜態的List，分別記錄系統中的I2Cdriver結構和I2Cadapter結構。I2Ccore提供接口函數，允許一個I2Cadatper，I2Cdriver和I2Cclient初始化時在I2Ccore中進行注冊，以及退出時進行注銷。同時還提供了I2C總線讀寫訪問的一般接口，主要應用在I2C設備驅動中。

 

b -- IIC總線驅動

       IIC總線驅動是對IIC硬件體系結構中適配器端的實現，適配器可由CPU控制，甚至直接集成在CPU內部。總線驅動的職責，是為系統中每個I2C總線增加相應的讀寫方法。但是總線驅動本身並不會進行任何的通訊，它只是存在那里，等待設備驅動調用其函數。

     IIC總線驅動主要包含了IIC適配器數據結構i2c_adapter、IIC適配器的algorithm數據結構i2c_algorithm和控制IIC適配器產生通信信號的函數。經由IIC總線驅動的代碼，我們可以控制IIC適配器以主控方式產生開始位、停止位、讀寫周期，以及以從設備方式被讀寫、產生ACK等。

　Busses文件夾下的i2c-mpc.c文件實現了PowerPC下I2C總線適配器驅動，定義描述了具體的I2C總線適配器的i2c_adapter數據結構，實現比較底層的對I2C總線訪問的具體方法。I2Cadapter 構造一個對I2Ccore層接口的數據結構，並通過接口函數向I2Ccore注冊一個控制器。I2Cadapter主要實現對I2C總線訪問的算法，iic_xfer() 函數就是I2Cadapter底層對I2C總線讀寫方法的實現。同時I2Cadpter 中還實現了對I2C控制器中斷的處理函數。

 

c -- IIC設備驅動

      IIC設備驅動是對IIC硬件體系結構中設備端的實現，設備一般掛接在受CPU控制的IIC適配器上，通過IIC適配器與CPU交換數據。設備驅動則是與掛在I2C總線上的具體的設備通訊的驅動。通過I2C總線驅動提供的函數，設備驅動可以忽略不同總線控制器的差異，不考慮其實現細節地與硬件設備通訊。

      IIC設備驅動主要包含了數據結構i2c_driver和i2c_client，我們需要根據具體設備實現其中的成員函數。

     i2c-dev.c文件中實現了I2Cdriver，提供了一個通用的I2C設備的驅動程序，實現了字符類型設備的訪問接口，實現了對用戶應用層的接口，提供用戶程序訪問I2C設備的接口，包括實現open，release，read，write以及最重要的ioctl等標准文件操作的接口函數。我們可以通過open函數打開 I2C的設備文件，通過ioctl函數設定要訪問從設備的地址，然后就可以通過 read和write函數完成對I2C設備的讀寫操作。

    通過I2Cdriver提供的通用方法可以訪問任何一個I2C的設備，但是其中實現的read，write及ioctl等功能完全是基於一般設備的實現，所有的操作數據都是基於字節流，沒有明確的格式和意義。為了更方便和有效地使用I2C設備，我們可以為一個具體的I2C設備開發特定的I2C設備驅動程序，在驅動中完成對特定的數據格式的解釋以及實現一些專用的功能。

 

3、重要的結構體

      因為IIC設備種類太多，如果每一個IIC設備寫一個驅動程序，那么顯得內核非常大。不符合軟件工程代碼復用，所以對其層次話：

     這里簡單的將IIC設備驅動分為設備層、總線層。理解這兩個層次的重點是理解4個數據結構，這4個數據結構是i2c_driver、i2c_client、i2c_algorithm、i2c_adapter。i2c_driver、i2c_client屬於設備層；i2c_algorithm、i2c_adapter屬於總線型。如下圖：

    設備層關系到實際的IIC設備，總線層包括CPU中的IIC總線控制器和控制總線通信的方法。值得注意的是：一個系統中可能有很多個總線層，也就是包含多個總線控制器；也可能有多個設備層，包含不同的IIC設備

        由IIC總線規范可知，IIC總線由兩條物理線路組成，這兩條物理線路是SDA和SCL。只要連接到SDA和SCL總線上的設備都可以叫做IIC設備。

a -- i2c_client 

       一個IIC設備由i2c_client數據結構進行描述：

struct  i2c_client
{
    unsigned short  flags;                        　 //標志位
    unsigned short  addr;　　　　　　　　　　　　　　  //設備的地址，低7位為芯片地址
    char name[I2C_NAME_SIZE];　　　　　　　　　　   //設備的名稱，最大為20個字節
    struct  i2c_adapter *adapter;　　　　　　　　　　　//依附的適配器i2c_adapter，適配器指明所屬的總線
    struct  i2c_driver *driver;　　　　　　　　　　　　　//指向設備對應的驅動程序
    struct device  dev;　　　　　　　　　　　　　　　　　//設備結構體
    int irq;　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//設備申請的中斷號
    struct list_head  list;　　　　　　　　　　　　　　　　//連接到總線上的所有設備
    struct list_head 　　detected;　　　　　　　　　　　//已經被發現的設備鏈表
    struct completion　　released;　　　　　　　　　　　//是否已經釋放的完成量
};

設備結構體i2c_client中addr的低8位表示設備地址。設備地址由讀寫位、器件類型和自定義地址組成，如下圖：

第7位是R/W位，0表示寫，2表示讀，所以I2C設備通常有兩個地址，即讀地址和寫地址；

類型器件由中間4位組成，這是由半導體公司生產的時候就已經固化了；

自定義類型由低3位組成。由用戶自己設置；

 

     IIC設備還有一些重要的注意事項：

1、i2c_client數據結構是描述IIC設備的“模板”，驅動程序的設備結構中應包含該結構；

2、adapter指向設備連接的總線適配器，系統可能有多個總線適配器。內核中靜態指針數組adapters記錄所有已經注冊的總線適配器設備；

3、driver是指向設備驅動程序，這個驅動程序是在系統檢測到設備存在時賦值的；

 

b -- IIC設備驅動     i2c_driver

struct  i2c_driver
{
    int id;                         //驅動標識ID
    unsigned int class;               //驅動的類型
    int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);             //當檢測到適配器時調用的函數
    int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter*);              //卸載適配器時調用的函數
    int (*detach_client)(struct i2c_client *)   __deprecated;             //卸載設備時調用的函數

     //以下是一種新類型驅動需要的函數，這些函數支持IIC設備動態插入和拔出。如果不想支持只實現上面3個。要不實現上面3個。要么實現下面5個。不能同時定義
    int  (*probe)(struct i2c_client *,const struct  i2c_device_id *);              //新類型設備探測函數
    int (*remove)(struct i2c_client *);                   //新類型設備的移除函數
    void (*shutdown)(struct i2c_client *);              //關閉IIC設備
    int (*suspend)(struct  i2c_client *,pm_messge_t mesg);           //掛起IIC設備
        int (*resume)(struct  i2c_client *);                               //恢復IIC設備
    int (*command)(struct i2c_client *client,unsigned int cmd,void *arg);        //使用命令使設備完成特殊的功能。類似ioctl（）函數
    struct devcie_driver  driver;                         //設備驅動結構體
    const struct  i2c_device_id *id_table;                       //設備ID表
    int (*detect)(struct i2c_client *,int  kind,struct  i2c_board_info *);          //自動探測設備的回調函數

    const  struct i2c_client_address_data          *address_data;                 //設備所在的地址范圍
    struct  list_head    clients;                    //指向驅動支持的設備
};

結構體i2c_driver和i2c_client的關系較為簡單，其中i2c_driver表示一個IIC設備驅動，i2c_client表示一個IIC設備。關系如下圖：

c -- i2c_adapter

      IIC總線適配器就是一個IIC總線控制器，在物理上連接若干個IIC設備。IIC總線適配器本質上是一個物理設備，其主要功能是完成IIC總線控制器相關的數據通信：

struct i2c_adapter
{
    struct module *owner;                        //模塊計數
        unsigned  int id;                                  //alogorithm的類型，定義於i2c_id.h中
        unsigned   int  class;                           //允許探測的驅動類型
    const struct i2c_algorithm *algo;         //指向適配器的驅動程序
        void *algo_data;                                  //指向適配器的私有數據，根據不同的情況使用方法不同
        int (*client_register)(struct  i2c_client *);          //設備client注冊時調用
        int (*client_unregister(struct  i2c_client *);       //設備client注銷時調用
        u8 level;
    struct  mutex  bus_lock;                             //對總線進行操作時，將獲得總線鎖
        struct  mutex  clist_lock ;                            //鏈表操作的互斥鎖
        int timeout;                                                  //超時
    int retries;                                                     //重試次數
    struct device dev;                                          //指向 適配器的設備結構體
    int  nr ;
    struct  list_head      clients;                            //連接總線上的設備的鏈表
    char name[48];                                              //適配器名稱
    struct completion     dev_released;               //用於同步的完成量
};

d -- i2c_algorithm

       每一個適配器對應一個驅動程序，該驅動程序描述了適配器與設備之間的通信方法:

struct  i2c_algorithm
{
    int  (*master_xfer)(struct  i2c_adapter *adap,  struct  i2c_msg *msg, int num);              //傳輸函數指針，指向實現IIC總線通信協議的函數，用來確定適配器支持那些傳輸類型
    int  (*smbus_xfer)(struct  i2c_adapter *adap, u16  addr, unsigned  short flags, char  read_write, u8 command, int size, union  i2c_smbus_data  *data);    //smbus方式傳輸函數指針，指向實現SMBus總線通信協議的函數。SMBus和IIC之間可以通過軟件方式兼容，所以這里提供了一個函數，但是一般都賦值為NULL
    u32  (*functionality)(struct  i2c_adapter *);                   //返回適配器支持的功能

};

      IIC設備驅動程序大致可以分為設備層和總線層。設備層包括一個重要的數據結構，i2c_client。總線層包括兩個重要的數據結構，分別是i2c_adapter和i2c_algorithm。一個i2c_algorithm結構表示適配器對應的傳輸數據方法。3個數據結構關系：

IIC設備層次結構較為簡單，但是寫IIC設備驅動程序卻相當復雜。

IIC設備驅動程序的步驟：

 

 

4、各結構體的作用與它們之間的關系

a -- i2c_adapter與i2c_algorithm

　　i2c_adapter對應與物理上的一個適配器，而i2c_algorithm對應一套通信方法，一個i2c適配器需要i2c_algorithm中提供的（i2c_algorithm中的又是更下層與硬件相關的代碼提供）通信函數來控制適配器上產生特定的訪問周期。缺少i2c_algorithm的i2c_adapter什么也做不了，因此i2c_adapter中包含其使用i2c_algorithm的指針。

        i2c_algorithm中的關鍵函數master_xfer()用於產生i2c訪問周期需要的start stop ack信號，以i2c_msg（即i2c消息）為單位發送和接收通信數據。

　　i2c_msg也非常關鍵，調用驅動中的發送接收函數需要填充該結構體

struct i2c_msg {
    __u16 addr; /* slave address            */
    __u16 flags;
    __u16 len;      /* msg length               */
    __u8 *buf;      /* pointer to msg data          */
};

b --i2c_driver和i2c_client

      i2c_driver對應一套驅動方法，其主要函數是attach_adapter()和detach_client()

      i2c_client對應真實的i2c物理設備device，每個i2c設備都需要一個i2c_client來描述

      2c_driver與i2c_client的關系是一對多。一個i2c_driver上可以支持多個同等類型的i2c_client.

c -- i2c_adapter和i2c_client

　　i2c_adapter和i2c_client的關系與i2c硬件體系中適配器和設備的關系一致，即i2c_client依附於i2c_adapter,由於一個適配器上可以連接多個i2c設備，所以i2c_adapter中包含依附於它的i2c_client的鏈表。

 

　從i2c驅動架構圖中可以看出，linux內核對i2c架構抽象了一個叫核心層core的中間件，它分離了設備驅動device driver和硬件控制的實現細節（如操作i2c的寄存器），core層不但為上面的設備驅動提供封裝后的內核注冊函數，而且還為小面的硬件事件提供注冊接口（也就是i2c總線注冊接口），可以說core層起到了承上啟下的作用。

 

 

面試你該如何回答---->IIC總線協議？

面試的時候主要會遇到的IIC問題如下

• 介紹一下你了解的I2C？

I2C總線是飛利浦（PHLIPS）公司推出的一種串行總線，用於連接微控制器及其外圍設備， I2C串行總線有兩根雙向信號線。一根是數據線SDA，另一根是時鍾線SCL。 它僅通過兩根信號線就可以完成對所有掛載在I2C總線上的從器件進行操作。這樣的好處是可以大大的節省我們微處理器的IO口資源。

• I2C到底可以掛載多少個器件呢？

答：IIC協議規定，在啟動總線后第1字節的高7位是從節點的尋址地址，其中高四位為器件類型識別符，接着三位為片選，最后一位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作，所以具體掛載多少個器件由I2C地址決定，7位尋址地址減去1個廣播地址0x00不用，所以有2^7=128 - 1 = 127，那就是127個地址， 所以理論上可以掛127個從器件。

• I2C如何同時掛載多個同一種器件（地址相同的器件）？

答：理論上是不會這樣設計的，如果一定要這樣做的話，可以通過硬件上設計，控制器件是否掛載總線來實現（方法可用一個開關電路切斷器件SDA或者SCL是否接入總線來實現）

• I2C總線的主機與從機之間是如何通信的呢？

I2C總線的主機與從機之間的通信主要和I2C的時序有關。在通信開始的時候SCL與SDA都置為高電平，此時為總線空閑時間。當SCL為高電平期間SDA的電平被拉低，標志這總線的啟動。當SCL為高電平期間SDA的電平被拉高，標志這總線的終止。在進行數據傳送時，SCL為高電平期間，SDA上的數據必須保持穩定，只有在SCL的信號為低電平時，SDA上的高電平才允許變化。所以只要我們根據芯片手冊正確的寫好IIC的時序，按時序發送器件地址（不同的器件的地址不同）以及數據，就可以使主機與從機之間通信。

• I2C總線的仲裁你知道嗎？

總線上可能掛接有多個器件，有時會發生兩個或多個主器件同時想占用總線的情況，這種情況叫做總線競爭。I2C總線具有多主控能力，可以對發生在SDA線上的總線競爭進行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發送高電平，而另一個主器件發送低電平，則發送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關閉其輸出級。總線競爭的仲裁是在兩個層次上進行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個從器件，則進入數據位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。由於是利用I2C總線上的信息進行仲裁，因此不會造成信息的丟失。

• I2C時鍾信號（SCL）的同步問題

在I2C總線上傳送信息時的時鍾同步信號是由掛接在SCL線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個器件的時鍾信號下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時，低電平周期短的器件的時鍾由低至高的跳變並不能影響SCL線的狀態，於是這些器件將進入高電平等待的狀態。當所有器件的時鍾信號都上跳為高電平時，低電平期結束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時開始它們的高電平期。其后，第一個結束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產生一個同步時鍾。可見，時鍾低電平時間由時鍾低電平期最長的器件確定，而時鍾高電平時間由時鍾高電平期最短的器件確定。

• I2C總線的其他注意點

1、進行數據傳送時，在SCL為高電平期間，SDA線上電平必須保持穩定，只有SCL為低時，才允許SDA線上電平改變狀態。並且每個字節傳送時都是高位在前。

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2、對於應答信號，ACK=0時為有效應答位，說明從機已經成功接收到該字節，若為1則說明接受不成功。

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3、如果從機需要延遲下一個數據字節開始傳送的時間，可以通過把SCL電平拉低並保持來強制主機進入等待狀態。

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4、主機完成一次通信后還想繼續占用總線在進行一次通信，而又不釋放總線，就要利用重啟動信號Sr。它既作為前一次數據傳輸的結束，又作為后一次傳輸的開始。

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5、總線沖突時，按“低電平優先”的仲裁原則，把總線判給在數據線上先發送低電平的主器件。

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6、在特殊情況下，若需禁止所有發生在I2C總線上的通信，可采用封鎖或關閉總線，具體操作為在總線上的任一器件將SCL鎖定在低電平即可。

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7、SDA仲裁和SCL時鍾同步處理過程沒有先后關系，而是同時進行的。